水中全氟化合物在活性炭纤维上的吸附机制和界面化学行为

Based on the nano-scale effect and good adsorption properties of activated carbon fibers (ACFs), the adsorption behavior of the perfluorinated compounds (PFCs) such as PFOS and PFOA onto ACFs was investigated to elucidate the interactions between a adsorbate molecule and the ACF surface structure. Effect of solution chemistry (pH, ionic strength etc.), C-F chain length and PFC concentration on PFCs adsorption isotherm and adsorption kinetics is studied to deduce the occurrence for electrostatic interaction and hydrophobic interaction, as well as double layer compression effect. The adsorption kinetics of PFCs on ACF was studied to determine determine the process and mode of PFCs onto adsorption site on ACF. Finally, the sorption mechanism of PFCs on ACFs was discussed according to the adsorption behaviors and AFM, SEM, TEM and X-ray diffraction analysis before and after sorption.

利用活性炭纤维（ACF）独特的孔隙结构和表面化学结构赋予的独特吸附性能，探讨典型全氟化合物PFOS、PFOA等在ACFs上的吸附行为、吸附平衡关系，利用二阶段吸附模型确定究竟是疏水效应还是静电作用或范德华力主导吸附过程，通过研究溶液性质（如pH值、离子强度等）、吸附质分子PFCs的C-F链长、PFCs浓度变化对ACFs吸附过程的影响，分析表面聚集体的形成过程和驱动力性质；通过考察PFCs在ACF上的吸附动力学，确定PFCs通过什么历程和怎样的方式到达ACF的吸附位；通过研究吸附前后的AFM、SEM、TEM等的测试结果，确定表面吸附层结构、二维缔合聚集体的形貌和吸附态性质的变化规律。通过这3方面的研究，获得全氟化合物在活性炭纤维上的吸附机理和界面化学过程特性，为活性炭纤维吸附处理水相中全氟化合物提供理论依据，也可为高成本的PFOS、PFOA等物质的回收和再利用找到新途径。

全氟化合物（PFCs）是一类持久性有毒污染物，在大气、自然水体、沉积物、污泥等各种环境介质及生物体内已被广泛检出。活性炭纤维具有发达的可调孔隙结构，且开口于纤维表面，赋予了其独特的吸附性能。本研究针对典型PFCs，开展了不同条件下活性炭纤维对典型PFCs的吸附和脱附实验，探究了PFCs在炭纤维上的吸附机制和界面化学行为。着重分析了聚丙烯腈预氧纤维（PANOFs）/氢氧化钾（KOH）的质量比、活化温度等工艺参数对纤维形貌、孔径分布和比表面积的影响；吸附动力学研究表明，制得的PACFs对PFOS和PFOA的吸附容量分别为1.52 mmol/g和0.73 mmol/g，高于粉末活性炭（PAC）的1.04 mmol/g、0.49 mmol/g和颗粒活性炭（GAC）的0.75 mmol/g和0.39 mmol/g，吸附容量所体现的吸附质与吸附剂间结合能力的不同，在位能分布分析中也进一步证实，其可能的吸附作用包括静电作用、疏水作用等。利用粒子内扩散模型、Boyd膜扩散模型对传质过程进行分析，大分子PFOS和PFOA在PACFs粒子内扩散过程和液膜传质过程中的静电斥力对吸附速率均有影响，界面上形成（半）胶束对孔内扩散影响显著。从增强典型PFCs的传质过程出发，以炭纤维为电极材料，开展了电化学极化辅助增强PFCs在炭纤维上的吸附能力和传质速率的实验研究。相比较未施加电位时对PFOS、PFOA和PFBS的吸附效果，外加电位为0.6 V时，初始速率（v0）分别为原来的59倍、32.5倍和40倍，平衡吸附容量（qe）分别为原来的1.28倍、2.44倍和2.68倍。结合PACFs的zeta电位、电极的零电荷点以及电化学极化后的N2吸-脱附等温线，静电吸附作用在电化学过程中的增强以及吸附位点的增加是初始吸附速率和平衡吸附容量提高的主要原因。以典型阴离子PFCs的疏水疏油特性出发，补充研究了利用两步法接枝反应和热致相分离结合相转化法所制备出的较高强碱性交换容量的季铵化聚丙烯腈基功能纤维（GTPANFs）和β-环糊精（β-CD）接枝壳聚糖（CS）功能纤维膜（CCFM），提出并验证了不同C-F链长的PFCs的复合吸附机制。本研究可为活性炭纤维等功能纤维对水相中PFCs的吸附处理和回收再利用提供理论依据。